智能终端设备在水文监测中的应用研究

唐佳威

（湖南省湘潭水文水资源勘测中心，湖南 湘潭 411100）

0 引言

我国水文环境监测管理工作其实是从监测站网规划设计到企业水文监测数据分析收集整理的一个全过程，不单单只是用于监测江河湖泊的水资源。其中信息传输是水利信息化的重要基础工作之一。水文监测工作在很大程度上促进了国家水资源的开发与利用，面对自然灾害，水文监测也起到了积极作用。做好水文监测工作既利于人们合理利用水资源，还可以帮助人们降低自然灾害带来的破坏。

1 关于水文监测及智能测控设备的概述

1.1 水文监测系统的基本特点

水文行业监测质量工作需要包含的监测内容非常多，并非只是单一的监测工作，工作的高度复杂性已经给如何提高目前水文行业监测数据质量工作增加了一定难度。布设水文网站、测验分析水文、水文监测资料库的收集整理、研究水文实验等都已经是目前水文行业监测质量工作的主要组成内容。由于水文质量监测的数据质量也被分有不同监测等级，分别广泛应用在不同的监测场所。我们要根据全市水文环境监测的主要工作内容进行制定并提出合理的工作规划，设计研制出合适的全市水文环境监测解决方案，保障全市水文环境监测管理工作的良好正常运行。

1.2 智能水文测控系统概述

技术的应用发展随着信息时代的不断发展，智能水文测控系统技术及其应用领域范围越来越广，利用率越来越高。目前纵观监测行业技术发展，仍然还需不断完善。在国家智能化测控技术广泛应用的发展过程中，需要不断结合实际应用情况对国家智能水文测验测控技对的主要软件、硬件功能进行优化升级，保证水文监测管理工作能够适应日益多样化的国家水文工程监测管理需求。因此通过优化提升国家智能水文测控系统技术的发展智能化应用水平，保证其技术可广泛应用与开展更多不同类型的国家水文测验管理工作中，为开展水文监测管理、决策等工作提出有效数据参考。由此可见，水文管理测控智能技术的发展应用价值显著、发展应用空间较大，有助于国家水文管理部门不断优化提升水文测验工作质量。

1.3 大型水文自动监测站点工作的重要意义及其中的重要性

由于大型水文自动遥控监测站点所设立的工作目的主要是为了监测特定站点区域、断面的各种水文监测特性，选址不一定要求唯一，但一般要求在能够满足特定区域具有代表性。因此，目前正在建设的大型水文自动遥控监测设备站点普遍都是位于野外且比较分散。由于水文自动遥控监测设备系统主要涉及从小到多部门学科专业化的融合，对系统从业人员的技术业务水平也具有较高的技术要求[1]。其中，水文自动遥控监测设备系统中的设备本身主要涉及从小到工程机械、电子、通信、计算机、数据库及计算软件学等多个专业学科；而就系统自动监测的设备参数来讲，则主要涉及从小到大水文、气象、环境等多个学科，不同的水文监测系统参数都应具有其特定的水文行业管理规范。因此，运行中的管理人员除了通过系统理论上的学习，掌握系统监测设备的管理工作基本原理外，还常常需要认真研究学习行业规程、规范，用以正确指导系统运行中的管理工作，最终向目标用户企业提供一套符合标准的水文监测管理成果。

1.4 智能测控设备的重要性

1.4.1 智能水文测控流量技术系统

使用多种智能水文测控管理技术者在进行智能水文流域监测时，需要充分借助高科技监控设备加以进行监控辅助。常见的两种智能水文测控流量技术系统可以细分为自动、手动两种监测方式，采用两种自动化的水文监测管理方式，可有效弥补目前传统手动监控方式中监测存在的不足，同时两种监测方式相互的结合，可有效弥补自动水文监控监测点长期布设的巨大缺点。同时利用两种监测方式，可及时获取到和整理所在水文监测流域内的具体情况与流量数据，运用多种智能化测控设备大大提升了对水文流域数据进行监测的速度准确性。

1.4.2 在实际水文测验测量工作过程中的技术重要性

在实际进行水文防汛监测中，主要的防汛监测测量方式以手动计量测验方式为主要测量方式，测定出的数据主要有赖于人工智能记载，因此水文测量测验结果的真实准确性一直存在很多质疑的呼声。在综合使用人工智能测量测验方式时，测量者的工具、测量方法、测量者的专业技术水平等因素都会对实际测量者的数据收集造成较大干扰。此时综合应用人工智能水文测控系统技术，可有效的不断完善上述技术不足，促进实际水文测验工作顺利进行。

2 智能终端设备的数据综合监测应用

2.1 工业智能应用软件系统测控技术

系统软件技术的一个核心应用软件系统功能部分其在综合采用这种工业智能应用软件系统测控技术时其主要的一个应用核心软件功能之一就是可以对这种应用智能软件系统的数据进行综合监测应用，利用软件系统测控控制系统技术可以大提升系统数据综合监测的真实可靠、准确性和数据有效性[2]。因此其在充分运用此软件测控系统技术时，需要对这种应用智能软件系统测控技术部分功能进行合理的设计优化，充分利用软件测控系统对需要监测到的相关系统数据诸如控制分析处理程序、报表分析处理程序等软件功能部分进行合理设计优化系统设计。在进行系统工程设计水文过程中，首先需要充分准确化地了解所有被检测单位涉水管理区域的水文相关规划及测量技术要求和是否符合国家水文测量管理技术标准相关规划，根据设计水文管理测量的各个操作管理环节、内容等情况合理安排系统设计施工，水文测量报表的各个操作的具体内容与各个操作管理环节，要保证设计内容管理编程的客观科学性和准确性，增加设计水文管理测量操作结果设计数据的客观科学性和精准性、可信度；其次，以系统科学规范设计水文测量操作、科学合理利用水文数据、信息管理技术和以分析水文工作为主要技术理论基础的才可以充分保证设计水文测量报表中的内容管理编程的科学合理性和科学精准性、适当性。

2.2 水文智能质量测控系统技术的测量硬件

除测量软件检测系统外，在水文智能化质量测控系统技术中还同时应充分使用测量硬件检测设施，为水文测量测控工作进行提供硬件辅助。利用计算机技术可有效率地保证岸上消息信号快速实时传递的数据实时性和连续性、避免岸上消息信号实时传输运行过程中会出现各种信息中断，利用岸上信号辅助信息处理软件技术可以有效保证岸上信息计算机操作人员随时可独立自动进行处理工作，准确性地实时收集岸上相关信息数据。岸上需要利用高端硬件自动监测处理设备，通过综合利用计算机、电动控制监测设备、转码器和移动通信设备等，实现岸上消息信号的传递实时化和转化、数据的实时收集和分析以及数据整理，此时我们首先需要特别注意的是保证数据收集分析前所收集的数据的全面性和数据真实性，记录的数据完整性和数据可靠性，进而我们需要注意保证数据收集分析前的监测以及处理结果的数据真实性和数据可靠性。

2.3 监控终端硬件设备系统

电路设计智能水利互联网监控智能水利监控终端为充分适应当前水利工程监测应用领域，技术更新快、用户功能需求多样、安装使用环境复杂等应用特点，硬件设备电路设计部分采用终端模块化系统设计管理思想，按照设备功能不同可以被分割成为主线程控制操作模块，通信操作模块、电源及外部网络接口操作模块以及移动人机交互界面操作模块几个大部分，各功能模块之间主要功能相对应或对立，分开可以制作多个电路板，当设备使用者的环境或设备用户功能需求条件发生重大变更时，只要您需要同时改动其中的某个功能模块型号即可同时实现一次功能开发升级，避免了多次重复功能开发。

2.3.1 主控制模块

主控制模块是整个中国智能通信遥测通信终端的控制核心，负责同时实现对遥测传感器的定时信息采集、数据处理、存储以及智能通信过程控制等等功能。其控制电路部分总体设计结构由外部核心信号处理单元监控单元、RTCSD 实时监测时钟、编程器和调试控制接口、数据存储单元以及可观看外部的开门狗等多个电路部分组成[3]。由于遥测设备系统通常需要采用铅酸蓄电池及各种太阳能发光电池板进行供电，因此对遥测设备的工作功耗和运行稳定性都具有较高的技术要求。遥测设备的外部核心信号处理单元模块选用两路ATmega1280 低温高功耗信号处理器，它内部分别自带16 路外部信号中断，可同时接入各种翻斗式的降雨量温度计、电子式压水表等多种脉冲式的输出信号传感器，内部的4 路AT-UART 总线接口足以可靠地用来同时连接多个智能通信控制模块并可实现多一个信道数据冗余信息备份和数据扩展485 总线传输接口，可同时接入具有多种类型的多个智能遥测传感器。遥测数据存储单元模块选用了带有SPI 总线接口的一种大容量工业级的CSD 存储卡，具有-40～80℃的工作温度和可适应条件范围和百万次以上的数据读取和工作寿命，有效地保证了遥测数据存储信息的安全。

2.3.2 通信管理模块

无线通信管理模块主要负责同时实现卫星传感器无线数据处理信息的实时上报和卫星中心站无线控制指令的实时接收处理功能，为大大提高数据通信时的可靠性，采用了卫星GPRS 及其他卫星双线多信道无线冗余数据备份解决方案[4]。GPRS 网通模块内部选用德国西门子工业级无线通信管理系统模块GPMC37ID 来进行实现，可同时集成支持我国现有卫星APNSD无线虚拟现实手机无线专网和多个单信道卫星中心站的实时同步无线网络连接，在新的SDSIMD 网卡和旧的SDSD 天线接口处分别重新增加了一块APESD 无线漏电安全保护通信控制模块芯片，有较高效率地完全防止了虚拟手机无线插拔卫星天线连接过程中因由于人体过度补充放电因素可能导致造成的手机相关电子器件异常或者损坏；无线基站卫星信号定位管理模块内部主要采用一块来自中国江苏博纳公司雨田的卫星GPTM0510模块，模块内部同时集成了卫星GPRDSS 无线基站射频卫星信号定位收发器的通信控制芯片、功放信号通信控制芯片和卫星无线基站宽带信号通信控制电路等，可实现无线卫星短报实时定位和无线无源短报卫星文件的实时通信两种主要功能，具有通信系统软件集成度高、稳定性好、功耗低等三大基本特点。

2.3.3 人机操作界面控制模块

设计人机操作界面控制模块主要负责自动实现背光传感器观测数据的本地自动显示以及自动遥测遥控终端设备的本地自动配置控制功能，为有效兼容目前传统的人工自动测量控制方式而该设备还特别提供了多种人工测量置数控制功能，可将人工测量观测的相关数据通过自动遥测遥控终端设备上报发送到遥测中心站。

2.4 自动遥测设备终端防护软件设计

嵌入式软件技术是整个系统的技术灵魂，也许它是直接决定电子设备系统可用性和系统易用性的重要关键。软件程序代码设计采用功能强大的语言ICCAVR 多种开发语言平台进行编译，采用多种层次化软件设计方案，包括系统驱动层软件程序、协议层软件程序及驱动应用管理层软件程序三个基本层次[5]。驱动层软件程序主要用于实现对各种应用芯片及硬件模块的驱动操作，包括MCSDIP 卡、MC37i 通信模块、卫星通信模块、RTC IP时钟等，硬件接口设备的驱动程序主要包括与系统底层应用硬件模块相关的主程序和与系统底层应用硬件模块无关的应用程序两个大部分[6]。封装配置好一个驱动层软件程序之后对外还可提供与系统底层应用硬件模块无关的应用接口函数，方便其他硬件模块进行调用；协议层软件程序主要功能包括一个TCP/IP软件协议、传感器产品Mmodbus 软件协议以及与系统中心站点的通信软件协议等，其中一个TCP/IP，软件协议主要是通过将一个开源的TCU/IP 软件协议直接移植出来实现的，传感器产品通信软件协议主要包括Mocmos 以及高清数码摄像头、流量计以及高清压力计和水位测量计等485 接口硬件设备，大多数电子传感器软件支持采用Modbus 软件协议，针对目前市场上各种主流电子传感器产品开发了不同的软件协议包和支持包，可通过自己配置好的软件协议进行自动选择。与中心站之间的通信协议则严格按照水利部最新颁布的《水文监测数据通信规约》要求[7]。完整支持30 个功能码，可实现均匀时段报、定时报、加报等多种报文，能够在不同的接收平台下使用。

3 水文工程监测工作及智能设备中存在的一些问题

3.1 水文监测工作中存在的问题

水文资源监测在当今人们的日常生活中已逐渐成为重要的一部分，人们对自然水文资源监测的高度重视普及程度在不断得到提升。目前，水文中的监测管理工作虽然受到其他水文方面诸多因素的严重影响，还仍然存在一些新的问题，①面对特大规模洪水时，水文环境资源管理监测的基本技术管理精确度远远不够。②监测特大规模洪水的防汛水文资源工作者的技术管理质量非常低。③监测特大规模洪水的技术管理监测能力明显存在不足，需要不断完善加以提高。

3.2 目前国内水文智能监测设备运行存在的问题

3.2.1 设备保护防盗系统维护维修成本高

因设备存在偷盗、损坏的巨大风险，且供电供水线路等设施需要设备保障进行维护，每处监测设备都经常需要有专人进行看护，按每年一处监测设备看护成本400 元经费计，全省每年的设备看护维修成本近百万元，使得自动监测监控设备正常运行维护成本过高[8]。

3.2.2 设备保护维修力量薄弱

水位监测监控设备由于全年不长时间歇正常运行又比较易于发生损坏，且由于安装使用地域广，导致设备维修费用成本高，造成大量生产厂家员工不愿按时维修或用户维修迟缓的尴尬局面，使监测设备正常生产运行得以起不到有效保障。

4 解决我国水文监测管理工作质量问题的总体策略

4.1 积极引入先进的新型水文环境监测管理设备

水文相关主管部门每年应不断加大设备资金的管理投入，为推进水文环境监测管理工作开展引入更多的新型监测设备。把专业水文基础监测作为基础设施工作的根本保障。不光基础设施建设要扎实做好，还要不断稳步提供大量精准水文监测数据的重要技术基础。

4.2 应该采取一种智能化水文监测技术

水文监测技术的广泛应用为两个主要方面：①提高对我国水文资源监测网站项目建设的技术重视度和程度。②完善专业水文智能监测网站的基础硬件设施建设。专业技术人员目前应不断强化专业水文智能监测网站的硬件建设[9]。通过这些智能化监测技术的广泛运用，水文科学监测系统质量和性能在这些原有的技术基础上能够得到一定的稳步提升，通过不断的研究实践，这些水文科学监测技术也将广泛得到普及。

5 结语

未来的智慧水文监测体系，将充分应用卫星定位、空天遥感、物联网及智能感知、移动宽带网、云计算和大数据等技术，结合地面水文固定监测站网。水文大数据分析应用也将促进智慧水文监测体系的不断完善与进步，形成数据采集与分析应用相互促进的可持续发展局面，从而开拓出水文科学与技术发展及应用的新领域。